气液两相流瞬变过程

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第181页（3122字）

气液两相流指的是管道中流动的介质是气体和液体的混合物。

气液混合物既可以是一种物质，也可以是两种不同的物质，前者称为单组分的气液两相流，后者称为双组分的气液两相流。由于气液的比例不同，管道放置的方式不同，以及其他因素的影响，形成的气液界面的形状、流型也各异。流型通常分为泡状流、塞状流、层状流、环状流和雾状流等。

瞬变过程指的是管道系统中某一边界条件发生变化时，管道中流动的流体从一种恒定状态转变到另一种恒定状态的过程。

在此过程中，流速、压力，甚至流型都有着显着的变化，往往导致流体对管壁的作用力有较大幅度的增加，是确定管壁承载力、设计管道布置形式及结构形式，防止某些严重故事发生的重要依据。气液两相流瞬变过程的研究广泛应用于核电站、火电站的循环冷却水管道系统、石化的输送管道系统，航天器的液体燃料管道系统，城市排污下水道系统以及人体血液循环系统等，逐渐成为近代流体力学研究领域中一门十分重要的分支。

气液两相流瞬态过程的研究在60年代后期开始迅速发展，研究的主要内容是瞬态过程中气液两相的相互作用和宏观的运动规律。1969年沃利斯(G．B．Wallis)对描述两相流宏观运动规律的3种简单的一维数学模型，即均匀流模型、分离流模型和漂移流模型进行了系统的介绍。

均匀流模型主要特点是忽略两相之间的相对运动以及质量、动量等交换，把两相流作为具有平均性质的单一拟流体。1976年马丁(C．S．Martin)等提出的三特征线方程就是该模型在瞬态过程研究中的具体运用，较好地解决了泡状流瞬态过程的模拟。

漂移流模型主要特点是引入漂移通量来反映两相之间的相对运动，1979年马丁等将该模型用于塞状流瞬态过程的模拟，但计算结果与实验结果有一定的差别，其原因在于恒定流条件下得到的漂移通量经验关系式不能较好地反映瞬态过程中气塞的运动规律。分离流模型分别列出两相的质量、动量和能量方程，考虑两相之间的各种交换，利用界面的耦合条件使其方程组封闭，但忽略了相与界面压力和虚拟质量力的分离流模型是一组病态方程，不能用于气液两相流瞬态过程的模拟，这一重要的结论1992年由杨建东等人从理论上予以了证明。

上述3种简单的数学模型均可由分析模型在特定的条件下简化得出。在70年代后期分析模型有着迅速地发展，迪尔黑等在守恒方程，虚拟质量力等方面做了大量的工作，形成了较完整的理论系统。

1980年汉科克斯(W．T．Hancox)等将该模型用于气液两相流瞬态过程的研究，重点讨论了在层状流、泡状流和雾状流中的应用。但由于对瞬态过程中两相之间的相互作用和耦合的认识很不够，加上一维模型的局限，无法反映该过程气液界面强烈的二维、三维性质和变化，所以分析模型的应用受到了限制。

压力波的传播速度是气液两相流瞬态过程研究中至关重要的问题，这是因为波速的大小直接影响着瞬态过程中压力波动的幅值、周期等动态响应特性。气相易压缩的性质决定了气液两相流的波速不是常数，而是强烈地依赖于气液的比例、流型以及压力波动的变化。1968年亨利(R．E．Henry)等根据均匀流模型、分离流模型和频率响应模式导出了3种不同的波速公式，分别应用于泡状流、层状流(包括环状流和雾状流)和塞状流，在此之后，人们对泡状流、层状流的压力波传播速度进行了较深入的研究与亨利等人的工作相比，主要考虑了液体的压缩性、管壁的弹性对波速的影响，对于泡状流还考虑了气泡表面张力作用，扩大了波速公式的适用范围。塞状流的波速公式由于无法考虑压力波在气液界面上的反射，缺乏充分的理论依据，所以没有得到进一步的探讨和应用。事实上1980年汉科克斯等的工作已经证明了无论对哪一种流型，一维气液两相流的压力波传播速度是积分分析模型的两个特征根。当特征根中的虚拟质量系数等于无穷大时就得到均匀流模型的波速公式，等于零时就得到分离流模型的波速公式。塞状流是介于泡状流和层状流之间的一种复杂的流型，如果能确定塞状流的虚拟质量系数和其他有关的参数和关系式，就不难得到塞状流的压力波速公式。

积分分析模型的另两个特征根表示着－维气液两相流界面波的传播速度。

界面波速度主要取决于相与界面的压力差以及气液两相的相对速度，尽管它的大小同气相、液相的速度同量级，但对于界面的稳定性有着重要的作用。1969年沃利斯仅给出了层状流的界面波的波速，而1980年汉科克斯等人给出的界面波的波速公式更具有普遍意义，适用于不同流型的瞬态过程。

激波也是气液两相流瞬变过程中发生的一种波动现象，它是由陡峻的压力波形成的。

1978年潘梅内伯汉(M．Padmanabhan)和马丁对泡状流中的激波形成、构造和传播速度进行了实验研究，结论是激波的波速符合由均匀流模型得出的Hugoni0t关系式。1981年莱斯(H．J．Rath)在考虑了管壁弹性的前提下，导出了泡状流中激波的波速公式，并且研究了各种影响因素的数量关系，得出了空穴率和管壁弹性对激波的特性具有非常强烈影响的结论。

气液两相之间的相互作用以及界面的耦合条件是十分重要的问题，涉及到界面上质量，动量和能量的交换，力的平衡，界面的运动速度等一系列的规律如何补充，也涉及到守恒方程式中一些重要的参数如虚拟质量系数、非连续相的分布参数等如何确定。

由于气液两相流的界面现象十分复杂，人们对它的认识还不够，所以到目前为止取得的研究成果并不多，尤其是对于瞬态过程更是如此。

鉴于气液两相流瞬态过程研究中存在的问题，近期的研究重点是(1)塞状流瞬过程的研究。

塞状流界面形状复杂，采用一维方法进行模拟难以得到满意的结果，因此有必要采用二维甚至三维的数学模型；(2)气液两相之间的相互作用及耦合条件的研究。这方面的研究除了理论分析外，更多地需要实验，以加深对某些不确定性规律的认识；(3)瞬态过程中界面波动稳定性以及流型转变的研究。在瞬态过程中不可避免出现气液界面的变形、破碎、聚并等现象，甚至局部的流型发生变化，这些变化将极大影响着一些宏观量的大小，如压力幅值、波动周期等。

【参考文献】：

1 Martin C S, Padmanabhan M. J of Fluids Engineering, 1979,101(l):42～52

2 Drew D A,cheng L,Lahey R R. Int J of Multiphase Flow, 1979,5(4):233～242

3 Hancox W T,Ferch R L,Liu WS. Int. J of Multiphase Flow, 1980,6(l),25～40

4 Hetsroni G. Handbook of Multiphast Systems. Washington: Hemisphere pub. co. 1982

5 Yang J D,Wu R Q,chen J Z. J of Hgdrodynamics, 1992,4 (l):83～90

(武汉水利电力大学杨建东教授撰)